劉磊 “毛毛蟲”帶刺奪大獎

　　他是大學四年級的學生，個子高挑，愛運動，愛籃球，也愛一連幾天泡在實驗室。10月19日晚，他代表自己的5人團隊，走上獎臺，摘得了第十二屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽的特等獎獎杯。
　　他接過獎杯時，“興奮，還感覺有點不可思議”。他說，兩年備戰“挑戰杯”，自己學到了很多課本上學不到的知識，磨練了意志，鍛煉了團隊協作能力。期間有苦，有甜，但最大的收獲，是以后不管遇到什么樣的困難，都不會灰心喪氣。
　　他叫劉磊，是蘇州大學機電工程學院電氣工程與自動化專業的學生。他和伙伴拿來參賽并獲獎的，是一組“基于諧振驅動原理的微型移動機器人”。盡管其中最小的只有“半個拇指”差不多大，重只有7克，但個個功能強大，實用性強，可以應用到工業領域的許多方面。
　　
　　帶刺的“毛毛蟲”
　　10月19日晚，由共青團中央、中國科協、教育部、全國學聯和遼寧省政府主辦的第十二屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽在大連理工大學落下帷幕。
　　機器人在每屆“挑戰杯”競賽中并不鮮見。提到機器人，許多人立刻會聯想到變形金剛般的巨型機器人，但在本屆比賽現場卻出現了一個只有成人拇指般大小的微型機器人。它渾身長著毛刺，水桶腰般的體形，乍看像極了一條毛毛蟲。
　　由于它奇特的外形特征，吸引了不少參賽隊員的駐足觀看。這就是蘇州大學機電工程學院的5名大學生合作發明的一種微型管道機器人，專門用來檢測細小工業管道的安全狀況，例如是否存在有害氣體或是裂縫、破損等。
　　劉磊是這個發明團隊的負責人。他解釋，在沒有微型機器人幫助前，如果要檢查細小的工業管道，不僅工作量大，而且對工作人員身體也可能有輻射傷害。最令人頭疼的是，很多細微裂縫從管道外部很難被發現，只有從管內仔細查看才行。而發明了微型管道機器人后，這類管道檢查的難題就可以交給它來完成。
　　這個重約7克的迷你機器人，能在最小內徑為15毫米，曲率半徑不小于200毫米的管道內移動，最大移動速度約為每秒24毫米，并且可攜帶各類微型攝像頭與照明裝置。這個微型管道機器人受到競賽評委們的一致好評，最終摘得了“挑戰杯”的特等獎。
　　
　　好奇，好學，有夢想
　　做這個微型機器人，劉磊和伙伴們花費了大約兩年的時間。劉磊說，他從小就是一個好奇的孩子，對電氣控制充滿興趣。
　　小學時，劉磊最愛上自然課，還喜歡動手制造一些小東西，比如一些小的串連電路、小臺燈等。在電視里，他看到工廠里自動化的流水線自動生產、自動裝配，感覺很有意思，特別想知道這些是怎樣做到的，覺得“搞電氣的和搞控制的很神奇”。
　　2007年，劉磊參加高考，第一志愿就是蘇州大學電氣工程與自動化專業。他如愿以償。讀大學后，懷著濃厚的興趣，他開始接觸單片機、PLC、控制原理等，還有中學就接觸過的電路知識。他發現，這些知識一旦組合起來，就可以獲得意想不到的結果，幫人類節省勞動力。他說，這就是他的夢想。
　　盡管最喜歡泡在實驗室把學來的理論知識付諸于實踐，但劉磊在大學期間一直是班里的前三名。大一，他拿了二等獎學金；此后的三年，他拿的都是一等獎學金。
　　大二那年，劉磊和幾個同學一起，向學校申請了一個關于機械手的創新型實驗項目。當時，他在團隊里僅是一個普通成員，主要負責PLC控制方向。這是他第一次接觸科研項目。
　　當時，劉磊他們做的是沖床上料機械手。項目的動機，是他們看到由于中國勞動力相對廉價，一個工人一天就做一個動作：把金屬材料放到沖床上，沖壓后再把它拿下來。一天八個小時，一直重復一個動作，做著做著工人就會麻木，很容易出事故，比如手被軋到。“可以考慮做一個機械手，代替人手啊”，這就是他們最初的想法。
　　那時劉磊才讀到大二，基礎課程還沒學完，造機械手所需的專業知識比如PLC等要到大三、大四才能接觸。并且，當時項目牽頭老師的研究方向也是機械方面，和控制無關，難以具體指導。在老師的鼓勵下，劉磊開始了自學。他大量查閱資料，一點點消化，每周和老師見面交流匯報一次。就這樣，劉磊提前兩年掌握了PLC的基礎技能。
　　做機械手的許多細節，劉磊記憶猶新。他說，一開始只做了一些理論分析和編程，然后買了一款三菱的PLC，下載三菱的軟件做出控制程序，最后用一個仿真模塊代替真實的機械手檢驗程序。盡管由于經費的問題，機械手最后沒有真的做出來，但這套系統經過檢驗，是可行的，成功的。
　　就是這個項目，大大增強了劉磊的自信心。作為一個進入大學才一年多的學生，之前什么都不懂，感覺一切都很深奧，很神秘，但通過自學PLC課程，發現只要肯鉆研，很快就能融會貫通。
　　
　　主持備戰“挑戰杯”
　　大三上學期，劉磊參加了蘇州大學的“大學生課外學術科研基金”項目，申請的課題就是《基于諧振驅動原理的微型移動機器人》。
　　“其實，做機械手的時候，我還沒聽說過‘挑戰杯’?！眲⒗谡f，一直到老師推薦他去主持備戰“挑戰杯”時，他才對其有了初步的了解，發現這是一個“很大規模、很正式、大家都很關注的比賽”。
　　通過關注歷屆比賽，劉磊知道，如果想在“挑戰杯”中取得好成績的話，今后肯定要花很大的精力去做。
　　“好在我當時并沒什么太大的壓力，只是每天想著把眼前的事做好。”劉磊說。
　　備戰“挑戰杯”，他們只是想盡自己所能，鍛煉自己動手實踐的能力。選擇微型機器人，劉磊他們有自己的想法：機器人很多，但全國乃至全世界都是大型居多。在狹小環境，大型機器人不能進去，小型機器人就有了用武之地。
　　“比如說去偵查，就像電影里經常出現的間諜機器人，他可以從門縫里進去，探視周圍環境，然后給主人反饋信息。”講到這些，劉磊露出了孩子般的淘氣。
　　當時，指導老師給的建議是，做一個利用諧振驅動的微型機器人。
　　現有的大部分機器人，驅動方式都是傳統的輪式、尺蠖式、慣性摩擦式等，機器人的機械結構做得很復雜。他們考慮是否能夠采用一種新的驅動方式。經過查閱資料，他們發現國內外有很多剛提出來的新穎的驅動方式，其中就有以諧振原理進行驅動的方法。
　　劉磊他們嘗試制作了試驗樣機。樣機一開始是有電源線的，然后又設計電路板使其無線控制，就這樣一步一步深入下去。
　　研究的過程中，他們盡可能和工業企業接觸，以確保項目的適用性。他們了解到，在核工業方面，蒸汽發生器的細小管束檢測需要微型機器人。這些管束的直徑只有15毫米到20毫米之間，而且這種管束一般都有上百根。像這種檢測，都采用國外進口的設備，成本很高。于是他們設想采用諧振驅動技術，做一個用于這種管道內部檢測的機器人。于是，管道機器人在他們手中應運而生。他們根據管道的直徑、彎曲程度，做了大小、長度不同的機器人。最小的，只有半個拇指那么大，重量約7克。
　　這些機器人身上有許多“毛刺”，只要給機器人內部安裝偏心輪施加6伏的電壓，偏心輪轉動就會產生振動，帶動毛刺與管壁產生碰撞與摩擦，機器人就能快速移動。諧振運動最大的好處是簡單靈活，避免了復雜的機械機構。正因為結構簡單，在制作工藝和制作成本方面也具有顯著優勢?！芭可a后，如果不搭載攝像頭，裸機成本只要100元以內”。
　　大賽上，劉磊帶來的不僅有管道機器人，還有地面機器人。地面機器人可以搭載微型傳感器等作業裝置單機或多機組網作業。劉磊說，地面機器人采用的也是諧振技術驅動。他們采用壓電陶瓷片，輸入一定頻率的波形，使其達到一種振動的效果，并使跟壓電陶瓷連接的柔性足產生諧振。這種人眼看不出來的諧振，可以驅動機器人快速運動。
　　
　　無數次“傻眼”，不言放棄
　　做微型機器人，劉磊他們并非一帆風順。
　　項目開始，一切都是零，所有的東西都需要他們自己去完成。先設計出電路板，然后拿到外面去加工，加工過后還要去買電子元器件。
　　這些元件都是貼片元件，需要在放大鏡下用鑷子焊上去。每一個貼片元件都比螞蟻還要小。一開始，焊一塊板子都要一天的時間甚至兩天時間。
　　電路設計，指導老師一開始提了用單片機的建議。根據這個建議，他們自己上網查詢單片機的數據手冊，看它的外圍電路是怎么搭的。做的時候，心里完全沒有底，不知道這種電路搭出來有沒有用，就先自己腐蝕電路板做實驗。fababc93151531f7f7a07769d627b52f成功以后，再設計電路板拿到外面去加工，加工回來后再買器件焊上去再調試。調試時一旦遇到問題，就得不斷地查資料，一個一個地找辦法解決。
　　單單這個工作，他們就做了半年到一年的時間?！昂碗娐反蚪坏溃^程非?？菰锏模苋菀谉┰?。尤其是自己在焊元件時，有時候焊著焊著眼都花了”。
　　為了這個項目，團隊里幾個人從這個項目開始就把學習用品、書本等“家當”搬到了實驗室。只要不上課，業余時間大家基本都在實驗室里，試驗、討論、研究。
　　“一開始，大家做了很多無用功。有好幾次，電路板剛焊好就直接上電，一上電，只聽見‘呲’地一聲，煙就冒出來了，電路板就壞了。一群人就感覺就楞掉了，傻眼了。”
　　那時，大家也有熬不下去的時候。“當時是放寒假，大家都想回家。蘇州挺冷，沒有暖氣。大家思鄉心切，年前都一個個回家了?！?br/>　　說著，劉磊難抑興奮，給記者總結：這些機器人得獎的原因，首先它屬于微型機器人，另外驅動方式很新穎，依靠振動、調節好頻率，就可以控制它前后左右移動。
　　劉磊他們晉級全國“挑戰杯”決賽的時候，評委對項目提出很多意見，以及很多技術性或應用性的問題，有時候很難回答。每到這時，幾個人就會聚在一起討論，指導老師也會過來給些寶貴的意見。
　　最初設計的管道微型機器人，只有三只“柔性足”，就像一根棍子加三只腳。后來在反復試驗中發現，腳越多越細，振動效果越好，驅動力越強。最后，研發團隊又精益求精，將“機器人”從一個整體變成可拆分?！斑@樣可以更加便于產業化”。
　　劉磊說，“挑戰杯”改變了自己做事情的態度：更加認真、更加仔細、更有毅力。他說，中途遇到了很多困難，想過放棄，但還是堅持下來了?，F在回頭看看，這些困難都不算什么。
　　一路過關斬將，每次晉級都非常興奮，團隊就會犒勞一下自己，比如“聚個餐什么的”。
　　眼下，劉磊他們發明的微型機器人還沒有投入生產，只是給一些企業去應用，以得到一些反饋信息，他們會根據這些信息再作修改，不斷地完善，深入研究下去。
　　“不會說‘挑戰杯’結束了，項目就終止了?！眲⒗谛判臐M滿。
　　眼下，劉磊已經確定保送研究生，研究方向是精密儀器。他對自己的計劃是，在學術方面走下去，將來讀博，以后做一些科研工作。
　　關于創業，劉磊坦言現在還不可能，因為創業需要一步一步積累，慢慢去做。眼下缺少資本，也沒有創業經驗。“我是一個很認真嚴謹的人吧。”他說。
　　蘇州大學贏得第十三屆“挑戰杯”承辦權。當被問及下屆“挑戰杯”會不會參加時，劉磊說：“我可能是一個參賽者，也可能是一名志愿者，總之，歡迎大家都來。”
　　責任編輯 張惠清